面向蜂窝化的反向散射通信综述:关键技术与标准化研究.pdf
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1、第47卷总第516期462023年8月第8期“面向6G的物联网技术”专题收稿日期:2023-06-23面向蜂窝化的反向散射通信综述:关键技术与标准化研究面向6G时代千亿设备的连接需求,低复杂度、低成本、低功耗的反向散射通信技术是实现这一愿景的关键使能技术。但其自身在连接距离、速率、可靠性等方面依然存在不足。另一方面,不断演进的蜂窝网络具有良好的网络覆盖和通信性能。将蜂窝网络与反向散射通信结合可以充分发挥二者的优势,在降低部署成本的同时,实现干扰管理以及灵活的设备管控,提升反向散射通信的传输覆盖和可靠性。基于此,该综述主要论述反向散射通信系统蜂窝化演进的可行技术路线与支撑技术,包括系统架构、空口
2、设计、核心网与协议栈设计等;接着介绍了主流国际标准化组织关于蜂窝化反向散射通信的研究进展;最后,讨论反向散射通信的未来研究方向和技术挑战。6G;蜂窝网络;反向散射通信;极低功耗通信(维沃移动通信有限公司,广东 深圳 518049)【摘 要】【关键词】黄伟,谭俊杰,简荣灵,姜大洁,李欢doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20230623-0002 中图分类号:TN929.5文献标志码:A 文章编号:1006-1010(2023)08-0046-14引用格式:黄伟,谭俊杰,简荣灵,等.面向蜂窝化的反向散射通信综述:关键技术与标准化研究J.移动通信,2023,47(8):46-
3、59.HUANG Wei,TAN Junjie,JIAN Rongling,et al.A Survey on Cellular Backscatter Communications:Key Technologies and StandardizationJ.Mobile Communications,2023,47(8):46-59.A Survey on Cellular Backscatter Communications:Key Technologies and Standardization Towards the demands of connecting hundreds of
4、billions of wireless connections in 6G era,backscatter communication with low complexity,low cost and low power consumption is the key enabling technology to realize this vision.However,there still exists some shortage in terms of connection distance,capacity and reliability.Meanwhile,the continuous
5、ly evolving cellular networks can provide outstanding network coverage and communication performance.Thus,it is natural to fuse backscatter communication and cellular networks to yield both merits.As such,the network deployment cost can be reduced,meanwhile achieving interference coordination,flexib
6、le device management,coverage improvement and reliability enhancement.Following the above,this paper firstly provides a comprehensive introduction to the potential technical roadmap and the supporting technologies for the cellular evolution of backscatter communications,including system architecture
7、,air interface design,core network and protocol stack design.Then,the research progress of mainstream international standardization bodies is introduced on the cellular backscatter communications.Finally,the future research directions and technical challenges of backscatter communication are discuss
8、ed.6G;cellular networks;backscatter communications;extremely low power communication(vivo Mobile Communication Co.,Shenzhen 518049,China)HUANG Wei,TAN Junjie,JIAN Rongling,JIANG Dajie,LI HuanAbstract Keywords0 引言面向 2030+,6G 将实现“万物智联,数字孪生”的总体愿景1,支持千亿级的万物互联。IoT Analytics 在2021 年 9 月发布的物联网市场预测报告指出,到 20
9、25 年全球将有超过 271 亿的物联网终端连接需求2。海量的物联需求将对物联网的部署和维护成本提出新的挑战,OSID:扫描二维码与作者交流比如,现有 NB-IoT(Narrow Band Internet of Things,窄带物联网)、RedCap(Reduced Capability,降低能力)模组价格在数十元到数百元人民币左右,在大规模部署时的成本很高,且更换电池等后期维护也带来高昂的运营成本3。一些低温、高湿、高压、高辐射等要求无电池供电的极端场景,或是植入式健康医疗、物流仓储等生活应用领域,对物联网终端的低成本化和无源化提出了较高要求。第47卷总第516期47 2023年8月第8
10、期射通信低功耗的特点,研究学者对包括波束成形、空时编码等多天线技术进行了研究9。干扰消除10、多址接入技术11作为提升反向散射通信传输可靠性的使能技术,也是业界研究重点。总体来说,现有学术界关于反向散射通信的研究主要是围绕着物理层关键技术、资源与调度、系统优化等,而关于如何将反向散射通信与蜂窝网络融合的研究比较少。而蜂窝化的反向散射通信研究,包括对应的空口设计、协议栈设计、网络架构设计等,是标准化工作的主要内容。在 2019 年芬兰奥卢大学 6G 旗舰研究计划发布的全球首部 6G 白皮书中12,把结合环境供能的反向散射通信列为6G 的关键技术之一。2021 年,欧盟 Hexa-X 研究项目在6
11、G 报告中也将反向散射通信技术作为 6G 的潜在技术之一13。2021 年,佐治亚理工大学和贝尔实验室研制出一种印刷毫米波调制器和天线阵列,实现了反向散射通信的2 Gbps 速率的传输14。2023 年,日本 NTT DOCOMO 公司发布白皮书,将反向散射通信作为超低功耗通信的关键技术之一15。蜂窝物联网技术的演进如图 1 所示:图1 蜂窝物联网技术的演进此外,国内的运营商、设备厂商、终端厂商等也都对反向散射通信技术高度关注。比如,中国移动于 2022 年9 月联合各产业伙伴成立无源物联网技术联合创新中心,并发布面向万物互联的无源物联网技术白皮书5;以华为、中兴为代表的设备厂商也正积极推动无
12、源互联技术的标准化与产品落地。在终端厂商方面,OPPO 在 2021年发布了零功耗通信白皮书16;vivo 在 2022 年发布的6G 服务,能力与使能技术白皮书将反向散射通信作为使能 6G 的极低功耗通信关键技术17,并发布了反向散射通信样机平台。IMT-2030(6G)推进组也在其反向散射通信(Backscatter Communications),或称为背向散射通信、背向反射通信等,是实现物联终端低成本和无源化的重要潜在技术,并且已经在 RFID(Radio Frequency Identification,射频无线电)领域得到广泛使用,包括商品识别、仓储物流等场景4。以 RFID 为代
13、表的传统反向散射通信技术具备极低成本、部署简单等优势,比如单个标签的成本仅需几分钱,部署单个读写器就可实现标签信息读取等功能。然而,其缺点也很明显,比如覆盖范围、通信速率、连接数、安全鉴权等性能都较差,无法很好地满足未来物联网的需求,因此需要研究新型的反向散射通信技术。基于新型反向散射通信技术的极低功耗终端设备,将具有比 eMTC(enhanced Machine-Type Communication,增强机器类通信)、NB-IoT 和 RedCap 等物联网设备更低的功耗和成本。新型反向散射通信技术将助力构建可持续发展的极低功耗甚至零功耗的下一代物联网,满足绿色节能和可持续发展的需求,成为未
14、来 5G-Advanced 网络甚至 6G 网络不可或缺的一部分。基于反向散射通信的低功耗设备的优势在于4-5:(1)无需人工维护、可持续稳定运转,解决了极端环境下的适用性和后期维护成本的问题,极大扩展物联网的应用场景,更好地满足智慧城市、智慧农业、工业制造、环境监测等需求。(2)无需依赖复杂精密的射频器件和复杂的电路,无需高昂的部署成本,具有微型化的优势,可移植性强,能够为低功耗医疗设备、人体植入设备提供通信服务。(3)不再受限于 RFID 的近距离通信范围,利用蜂窝网络在覆盖、可管可控、安全鉴权等方面的优势,为客户提供便捷、安全、高性能的低功耗物联能力,激发新的应用潜力。(4)相比于 NB
15、-IoT,基于反向散射通信技术的设备成本将更低,例如模组成本低于 0.5 美分;功耗进一步降低,达到百 W 级别,甚至零功耗。(5)支持感知或定位等功能赋能高附加值业务,使能物理世界和数字世界的互联互通。目前,学术界和工业界对反向散射通信展现了浓厚兴趣,并围绕调制与编码、多天线、干扰消除、多址接入等物理层技术进行了深入研究5-6。不限于传统低阶调制和编码方案,高阶调制和新型编码方案作为提升反向散射通信速率的关键技术之一,近年来已被广泛研究7-8。为了增强反向散射通信的覆盖范围和传输速率,结合反向散黄伟,谭俊杰,简荣灵,等:面向蜂窝化的反向散射通信综述:关键技术与标准化研究第47卷总第516期4
16、82023年8月第8期“面向6G的物联网技术”专题6G 低功耗物联网需求研究中将反向散射通信作为实现极低功耗物联网的关键使能技术。现有的关于反向散射通信的论文综述大多是从学术研究的角度进行论述4,6,8,18,而本文则是从面向蜂窝化标准研究的角度进行论述,并且围绕未来无源物联场景在极低功耗、广域覆盖、大连接等方面的迫切需求,探索可行的技术路线,包括新型的调制及编译码、多天线传输、干扰消除、多址接入等物理层关键技术,以及在蜂窝组网中的潜在网络系统架构及关联的协议栈设计。最后,本文也将介绍相关的标准化进展,并指出未来蜂窝化后的潜在研究方向与技术挑战,为反向散射通信技术的演进和研究提供参考。1 反向
17、散射通信基本原理与典型应用场景1.1 基本原理与传统通信中的信号调制与发送过程不同,支持反向散射通信的设备并不具备载波生成能力,无法“主动”对外发送信号,而是将设备自身需要发送的信息比特调制在第三方信号进行调制。反向散射设备根据需要发送的信息比特选择对应的负载阻抗从而改变第三方信号的幅度、相位或频率等物理属性,从而实现“被动式”通信,具体调制原理与硬件架构如图 2 所示。其中,表示入射到反向散射设备天线的信号,即射频源信号;表示该信号从反向散射设备天线向外反射的信号,即反向散射信号。二者关系可由式(1)表示:(1)其中,是反向散射信号与射频源信号之间的比值,称为反射系数。一般地,若分别用 Ai
18、n、fin、in分别表示射频源信号的幅值、频率和相位,那么可以表示为。反向散射设备通过改变反射系数来实现对的幅度调制、频率调制或相位调制,其原理可通过式(2)表示19:(2)其中,、fT和 T分别表示反射系数的幅值改变量、频率偏移量和相位旋转量。反向散射通信的调制过程可分为:(1)数字调制:如图 2(a)所示,反向散射设备配置不同的负载阻抗,通过切换到不同负载阻抗改变和 T,实现幅度调制或相位调制;或通过产生的方波信号控制开关的切换频率改变 fT,实现频率调制;(2)模拟调制:如图 2(b)所示,反向散射设备通过如反射放大器等射频器件连续控制反射系数的幅值、频率或相位的调制方式,例如,控制反射
19、放大器直流偏置的大小实现幅值调制。上述的反向散射通信原理主要涉及发送端,一个典型的反向散射设备除了包括涉及发送端的信道编码和调制模块之外,通常还包括天线、微控制器、信号接收模块、存储器或传感模块(取决于应用场景)等硬件模块组成,如图 2(c)所示。其中,信号接收模块负责接收网络侧或者读卡器等发送给反向散射设备的下行信号,其架构和技术可以重用目前 3GPP(3rd Generation Partnership Project,第三代合作伙伴计划)正在开展研究的低功耗唤醒接收机技术20;微控制器负责执行命令、收集传感信息、写入/读取数据等功能,并根据待传输的信息控制编码和调制模块。由于反向散射通信
20、并不主动生成载波信号,其能耗极低,通常为数十微瓦到数百微瓦之间。设备可以由能量采集模块采集环境中如射频信号、光能、热能等能量供信号的调制、解调和反射,无需自身具备电池等能量源;也可以由纽扣电池等小型供能模块供给,从而降低对供能信号的强度要求。无论采用哪种方式,得益于反向散射通信的极低功耗优势,反向散射设备都能实现极长的维护间隔,甚至免维护。1.2 典型应用场景反向散射设备特别适合需要大规模部署或因苛刻环控制器Sin(t)Sout(t)TT=0T=1T=2T=n能量采集或供能模块微控制器信号接收模块存储器或传感模块编码和调制模块射频信号 负载阻抗Sin(t)Sout(t)T(a)(c)Sout(
21、t)(b)T模拟电路Sin(t)反向散射信号符号 0 阻抗 0符号 1 阻抗 1 符号 n 阻抗 n (a)(b)(c)图2 (a)数字调制;(b)模拟调制;(c)反向散射设备的典型硬件架构第47卷总第516期49 2023年8月第8期黄伟,谭俊杰,简荣灵,等:面向蜂窝化的反向散射通信综述:关键技术与标准化研究境条件难以进行后期维护的场景,其潜在应用领域涵盖工业制造、智慧交通、仓储物流、农林牧业以及智能家居等。工业制造:工业 4.0 是未来工业制造的重要愿景,核心是打造一个数据驱动、智能协作的自动化规划、生产与维护平台。这就需要高密度地部署各类工业传感器,进行全面和迅速的环境感知和信息收集。这
22、类传感器通常还需要克服高温、高压等苛刻条件。免电池、免维护的反向散射设备在这一方面有着天然优势。此外,还包括一些诸如加工制造环节的控制指令类的信息,需要传递给生产线上的各类机械设备。智慧交通:智慧交通需要在道路上部署如流量监测、压力等传感器,以监测车辆和行人动态,从而进行合理的道路规划、规避道路风险,提升交通效率和安全性。具有低成本、低功耗并且具有一定感知能力的反向散射设备,很适合在交通领域大规模部署,以支持数据传感、流量检测、定位传感等业务需求。仓储物流:现代化仓储和物流工业需要保证货物储存和运输的准确性、及时性、安全性、可溯源等。这些优势在码头、航空港这类繁忙的货物集散地更加重要。同时,由
23、于仓储物流的流量巨大,因而对成本极其敏感。因此可以使用低成本的反向散射设备来标识或管理货物,准确地告知货物的信息、追踪货物动向,做出最优的物流仓储转运策略。农林牧业:农林业和畜牧业都是对环境因素高度敏感的产业,比如温室种植需要精确控制温湿度,否则会影响产量或品质;或在干旱气候时,容易发送森林火警等。反向散射设备可以用于实时监测各类温湿度等环境数据,甚至追踪养殖动物的体温、活动等动态数据,对于异常情况及时采取干预措施。智能家居:智慧的家居管理服务能够提升用户生活质量。比如,可用反向散射设备收集环境数据,以自动化地调整温湿度,营造舒适的居家环境;也能在物品上安装支持定位功能的反向散射设备,在物品遗
24、失时及时定位。家居管理更与生命安全息息相关,比如,将反向散射设备用于探测瓦斯等危险气体21,可及时检测并排除危险情况。各类智能家居的控制指令也可通过安装在家居上低功耗接收模块来实现。根据3GPP关于Ambient IoT典型应用场景的总结22,反向散射通信的典型应用场景也可以总结为四大典型应用场景:资产或货物盘点;传感器数据上报;无线定位类;控制类。这几类业务可以单独或联合使用,以支持不同领域的具体应用场景,表 1 从不同维度总结了典型应用场景涉及的业务类别及其特征。然而,目前如 RFID 等反向散射通信系统仅能支持局部覆盖的盘点类业务,并且在通信范围、通信速率、可支撑的连接数等方面都比较受限
25、。更重要的是,由于这类系统并非面向组网设计,缺乏相对可靠的安全鉴权机制,无法满足未来的物联需求。为此,需要结合蜂窝网络对反向散射通信技术进行增强。一方面与现有的蜂窝网络结合,实现网络对反向散射设备的可管可控,提高自动化程度与安全鉴权保障;同时可以基于现有的蜂窝网络设施为反向散射设备提供射频能量与信号载波,降低部署成本。另一方面,反向散射设备在保持低成本、低功耗的同时进一步扩展通信性能,实现更多维的感知能力。2 面向蜂窝化的空口设计受制于功耗与硬件能力,以及双程信道衰减、信号干扰等客观环境因素,传统反向散射通信系统普遍存在接收灵敏度低、覆盖能力弱、系统容量不足、可靠性低等问题。因此,需要在保证反
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